Aplicação do Retificador True Unity Power Factor em Estações de Carregamento Ultrarrápidas

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Aplica¸

c˜

ao do Retificador True Unity Power

Factor em Esta¸

c˜

oes de Carregamento

Ultrarr´

apidas

Dener A. de L. Brand˜ao∗Thiago M. Parreiras∗ Igor A. Pires∗∗ Braz de J. Cardoso Filho∗∗∗ ∗_{Programa de P´}_os-Gradua¸_c˜_{ao em Engenharia El´}_{etrica da} Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, Brasil

(e-mails: dalbrandao@ufmg.br; thiago.m.parreiras@ieee.org) ∗∗_{Departamento de Engenharia Eletrˆ}_{onica da Escola de Engenharia da}

Universidade Federal de Minas Gerais (e-mail: iap@ufmg.br) ∗∗∗_{Departamento de Engenharia El´}_{etrica da Escola de Engenharia da}

Universidade Federal de Minas Gerais (e-mail: cardosob@ufmg.br)

Abstract: With the increasing demand for electric vehicles worldwide, the need for technically robust chargers capable of providing fast recharges has become essential. The Regular Ultra Fast Charging (R-UFC) can meet the demands of vehicles in public transport, such as electric buses, worldwide. This work aims to demonstrate the use of a True Unity Power Factor rectifier for R-UFC stations with loads composed of supercapacitors. The simulation results in Simulink R

showed that the total demand distortion (TDD) was 0.9%, meeting the recommendations of international organizations in relation to the injection of harmonics in the Electrical System, such as IEEE 519 2014, which recommends a maximum of 5%, as well as fulfilling its role of ultra-fast charger.

Resumo: Com o aumento da demanda por ve´ıculos elétricos em todo o mundo, a necessidade de carregadores robustos tecnicamente e capazes de fornecer recargas rápidas se tornou essencial. As esta¸cões de carregamento ultrarrápido por oportunidade (R-UFC) podem atender às demandas dos ve´ıculos no transporte público, como ônibus elétricos, em todo o mundo. Esse trabalho tem por objetivo demonstrar a utiliza¸cão de um retificador True Unity Power Factor para esta¸cões R-UFC com cargas compostas por supercapacitores. Os resultados de simula¸cão no Simulink R

mostraram que a distor¸cão harmônica em porcentagem com a corrente de demanda (TDD) foi de 0,9%, atendendo a recomenda¸cões de organiza¸cões internacionais em rela¸cão à inje¸cão de harmônicos no Sistema Elétrico, como a IEEE 519 2014, que recomenda um máximo de 5%, bem como cumprindo seu papel de carregador ultrarrápido.

Keywords: rectifier, charger, unity power factor; ultra-fast charging; e-bus; ultracapacitor Palavras-chaves: retificador;carregador;fator de potência unitário; carregamento ultrarrápido; e-bus; ultracapacitor

1. INTRODU ¸C ˜AO

Atualmente, muitos pa´ıses ao redor do mundo têm adotado medidas e vêm realizando mudan¸cas em suas legisla¸cões para, por exemplo, reduzir a emissão de gases poluentes na atmosfera. Uma das formas de redu¸cão de gases poluentes é através da mudan¸ca gradual da frota veicular à combustão em plug-in electric vehicles (PEVs) e plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs). Tal movimento é forte principalmente na União Europeia, na qual muitos pa´ıses têm propostas de proibir carros à combustão até 2040 e outros, mais ambiciosos neste projeto, até 2030 (G1 (2018)). No Brasil, o programa Rota 2030 tem, dentre suas propostas, o incentivo ao investimento em programas de P&D por parte das empresas automotivas no pa´ıs, principalmente com uma perspectiva de desenvolvimento sustentável, o que engloba o desenvolvimento de ve´ıculos elétricos e h´ıbridos (MDIC - Brasil (2018)).

Com tais projetos em andamento, há a necessidade de se ampliar e melhorar a infraestrutura para comportar o crescente ramo de locomo¸cão que deve ser adotado em todo o mundo. Uma grande preocupa¸cão dos consumidores está relacionada com a velocidade de carregamento dos PEVs e PHEVs que, ao contrário dos ve´ıculos a combus-tão, tem tempos muito mais elevados para chegarem à plena autonomia. Portanto, o desenvolvimento de esta¸cões de carregamento ultrarrápido (R-UFC) são fundamentais para atingir esse objetivo.

Dentre os empreendimentos de R-UFC, pode-se citar o estudo realizado por Lemon et al. (1999), no qual re-alizaram o R-UFC em ônibus com carregadores de 300 kW e baterias de Ni-Cd e, posteriormente, baterias de chumbo-ácido seladas. No estudo de Steiner et al. (2007), foi utilizado um banco de ultracapacitores em um LRV (sigla em inglês para ve´ıculo ferroviário leve) na cidade

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alemã de Manheeim. Obteve-se uma economia de energia de 30% e a possibilidade de operar o LRV livre da catenária por algumas centenas de metros, especialmente no cen-tro da cidade. Na China, há empreendimentos de ônibus com supercapacitores para recargas ultrarrápidas (MIT Technology Review (2009)). Os ônibus alcan¸cam de 5 a 8 km a cada recarga, que é realizada em poucos minutos. Empreendimentos atuais tem sido realizados por diversas empresas, como os ônibus TOSA na Su´ı¸ca (ABB (2018)). Com 10 ônibus em opera¸cão desde 2018 na cidade de Geneva que conseguem transportar 133 passageiros cada, as recargas ultrarrápidas são realizadas em 13 pontos de 600 kW em 20 segundos.

As esta¸cões de carregamento ultrarrápido precisam aten-der a requisitos de inje¸cão de harmônicos na rede. Normas internacionais, como a IEC 61000-3-2 (IEC (2002)) e re-comenda¸cões como a IEEE 519-2014 (IEEE (2014)) para limites de harmônicos de tensão e, para os harmônicos na corrente, a norma IEC 61000-3-12 (IEC (2011)) e a NEMA PE-5-1997 (NEMA (2003)), que segue a recomenda¸cão da IEEE 519-2014, são utilizadas em diversos pa´ıses, mui-tas vezes replicadas em legisla¸cões locais, como é o caso do Brasil através do Módulo 8 do PRODIST (ANEEL (2018)), baseado em normas da IEC. Portanto, além dos desafios inerentes ao carregamento de alta potência, tem-se ainda a questão regulatória a ser atendida.

Outro problema para as esta¸cões de carregamento ultrarr´ a-pido está relacionado à potência máxima de carregamento das cargas. Extremamente difundidas em PEVs e PHEVs, as baterias de ´ıon-l´ıtio não possuem uma densidade de potência elevada para carregamentos muito rápidos e, con-sequentemente, com alta potência, sendo prejudiciais à sua vida útil e até mesmo podendo danificá-las, como mostrado em Sertkaya et al. (2015). Sendo assim, alternativas como o uso de supercapacitores para lidar com a inje¸cão de alta potência no carregamento é promissora.

Além disso, a inser¸cão massiva de sistemas de carga rápida pode alterar as caracter´ısticas de ressonância da rede elétrica. Segundo o trabalho de Sun et al. (2018), a elevada inje¸cão de harmônicos na rede causada pelos sistemas de carregamento ultrarrápido seria capaz de alterar o ponto de ressonância da rede original de 1600 Hz para 1250 Hz numa rede de transmissão holandesa em Bronsbergen. Esse novo ponto de ressonância pode ser atingido pelos harmônicos caracter´ısticos de inversores de 12 pulsos. As ressonâncias podem gerar sobretensões e sobrecorrentes nos sistemas, sendo, portanto, prejudiciais.

Esse artigo tem por objetivo validar uma solu¸cão para os três problemas com a utiliza¸cão de um retificador True Unity Power Factor (TUPF) para carregamento de banco de supercapacitores de ônibus elétricos através de recargas ultrarrápidas, uma contribui¸cão ao trabalho de Justino et al. (2016), no qual é realizado a utiliza¸cão do TUPF numa carga resistiva.

Além de atender às normas citadas, o TUPF reduz a probabilidade de ressonâncias devido a ausência de ele-mentos capacitivos de filtro, como mostrado no trabalho de Almeida and Cardoso Filho (2018), no qual são analisados os fatores de amplifica¸cão de ressonância por parques de turbinas eólicas e conversores tradicionais. A utiliza¸cão do TUPF traz como benef´ıcio a elimina¸cão dos harmônicos

até a 50a _{ordem, al´}_{em de modificar, no caso do trabalho} de Almeida and Cardoso Filho (2018), as caracter´ısticas de ressonância paralela do parque eólico, deslocando as frequências de suas ocorrências para valores mais altos, diminuindo a probabilidade de serem excitados.

Na se¸cão 2 serão descritos alguns sistemas de carregadores ultrarrápidos, com topologias tradicionais e uma aborda-gem do retificador TUPF e seu funcionamento. Na se¸cão 3, serão abordadas questões relacionadas ao armazenamento de energia. A se¸cão 4 mostra os esquemas de controle do TUPF como retificador e do conversor c.c. ligado à carga, além dos parâmetros utilizados em simula¸cão. Por fim, a se¸cão 5 mostra os resultados obtidos, bem como sua análise, seguida da se¸cão 6 que conclui o trabalho.

2. CARREGADORES ULTRARR ´APIDOS

2.1 Topologias Tradicionais

A tradicional ponte de diodos trifásica, vista na figura 1, também chamada de retificador a 6 pulsos, possui baixa qualidade de energia, baixo range de potência e necessita de um filtro c.c. volumoso, como citado em Justino et al. (2016). Outra solu¸cão é o retificador a 12 pulsos, visto na figura 2 que, apesar de ser recomendado para aplica¸cões para potências superiores a 300 kW e possuir baixo custo, não atende às normas de harmônicos especificadas em normas provenientes da IEC sem a utiliza¸cão de um filtro c.a. e, bem como a solu¸cão de 6 pulsos, possui um filtro c.c. volumoso.

Figura 1. Retificador trif´asico de 6 pulsos.

Figura 2. Retificador trif´asico de 12 pulsos.

Os retificadores ativos, como o mostrado na figura 3, possuem a vantagem da implementa¸cão do controle da tensão do barramento c.c. e outras vantagens em rela¸cão `

a gera¸cão de harmônicos na rede elétrica. Entretanto, há diversas limita¸cões para aplica¸cões em alta potência, como suas altas perdas de comuta¸cão, filtros c.a. volumosos e problemas de interferência eletromagnética (EMI), todos

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relacionados à alta frequência de chaveamento do conver-sor. Os filtros senoidais para conexão à rede, como os filtros LCL, são propensos à ressonâncias e, portanto, tornam-se um problema nessas aplica¸cões, principalmente em altas potências. A redu¸cão da frequência de chaveamento cau-saria um aumento no custo e no volume dos filtros c.a., não sendo uma op¸cão viável técnica e economicamente. Uma outra solu¸cão para os filtros seria a utiliza¸cão de filtros senoidais ativos, mas, além de elevar ainda mais os custos da aplica¸cão, traria complexos problemas de controle (Justino et al. (2016)).

Figura 3. Retificador ativo para aplica¸cões de carregadores. 2.2 Multilevel Modular Cascade Converter (MMCC) Uma topologia que vem sendo muito discutida atualmente para diversas aplica¸cões como, por exemplo, gera¸cão de energia distribu´ıda, é a topologia Multilevel Modular Cas-cade Converter (MMCC). Como se trata de uma topologia que pode trabalhar em altas potências, a utiliza¸cão do MMCC para esta¸cões de carregamento ultrarrápido deve ser considerada, como mostra o estudo de Tsirinomeny and Rufer (2015).

Os conversores MMCC abrem a possibilidade da conexão transformerless, reduzindo os custos com a aquisi¸cão e instala¸cão de transformadores de média tensão entre o conversor e a rede elétrica, conforme as topologias mos-tradas no trabalho de Akagi (2011). Com o uso de um número substancial de células, vários n´ıveis podem ser obtidos na tensão do lado da rede podendo eliminar a necessidade de um filtro de segunda ordem. Contudo, o uso de grande quantidade de componentes traz desafios adicionais de controle e confiabilidade.

Entretanto, o TUPF traz como vantagens a utiliza¸cão de transformadores e topologias de conversores simples e convencionais já consolidados na indústria, o que reduz o custo e a aumenta a confiabilidade da solu¸cão. O uso de transformadores garante também o isolamento galvânico entre a entrada e a sa´ıda do conversor. Além disso, com um controle e modula¸cões adequados, pode-se obter com o TUPF uma forma de onda praticamente senoidal na rede elétrica sem uso de filtros com elementos capacitivos e com baixas frequências de chaveamento, reduzindo as perdas. 2.3 Retificador TUPF

O retificador TUPF, apresentado em Parreiras (2015) e mostrado na figura 4, tem por objetivo eliminar todos os harmônicos até a 50a ordem, a fim de atender às diversas normas e recomenda¸cões internacionais, citadas na se¸cão 1.

Figura 4. Retificador True Unity Power Factor (TUPF).

Para tal, o TUPF é composto por um transformador de três enrolamentos nos quais exista uma defasagem angular de 30o_{entre um dos secund´}_{arios e o prim´}_{ario; reatores de} entrada para os conversores, de forma a reduzir a ampli-tude dos harmônicos da corrente de entrada; e conversores de dois ou três n´ıveis que utilizam a modula¸cão SHE-PWM de 9 pulsos num ambiente de controle dinâmico de corrente (Parreiras (2015)). Essa solu¸cão permite eliminar o uso de filtros capacitivos na entrada, bem como a redu¸cão da frequência de chaveamento. A tabela 1 exemplifica os harmônicos que são eliminados por cada componente do TUPF.

Tabela 1. Harmˆonicos eliminados por cada componente do TUPF.

Componente do TUPF Harmˆonicos Eliminados Transformador de trˆes enrolamentos 5, 7, 17, 19, 29, 31, 41, 43

Conversores com SHE-PWM 11, 13, 23, 25, 35, 37, 47, 49

Fonte: Parreiras (2015)

2.4 Modula¸cão por Elimina¸cão Seletiva de Harmônicos (SHE-PWM)

A modula¸cão SHE-PWM, proposta inicialmente em Patel and Hoft (1973), consiste em manipular o ângulo de disparo das chaves ao longo do ciclo de opera¸cão, de forma que se consiga eliminar o número de harmônicos igual a M-1, sendo M o número de disparos realizados por semi-ciclo da fundamental. Para calcular os ângulos de disparo, é necessário conhecer os harmônicos a serem eliminados, o número de n´ıveis do conversor e o ´ındice de modula¸cão da onda. É poss´ıvel ver na figura 5 uma forma de onda genérica, esbo¸cando o funcionamento do SHE-PWM para conversores de 2 n´ıveis.

Dessa forma, deve-se encontrar o valor dos ângulos de transi¸cão de estado a partir do conjunto de equa¸cões, mostrado em (2).

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f0+h∂f ∂α i0 · dα = 0 α1= α0+ dα (1)      1 − 2cos(α1) + · · · + 2(−1)Mcos(αM) 1 − 2cos(n1· α1) + · · · + 2(−1)Mcos(n1· αM) .. . 1 − 2cos(ni· α1) + · · · + 2(−1)Mcos(ni· αM)      = K (2) Sendo K = [Mi 0 · · · 0] T

e Mi o ´ındice de modula¸c˜ao.

Figura 5. Onda gen´erica da modula¸c˜ao SHE-PWM para conversor a 2 n´ıveis.

In´ıcio

Dados de entrada: Mi,

harmˆonicos a serem eliminados e palpite inicial para α1, α2, ..., αM

Avaliar equa¸c˜ao (2).

|f − K| ≤

Avaliar equa¸c˜ao (1) e encontrar pr´oximo palpite.

N´umero de itera¸c˜oes ≥ N?

Falhou em convergir. Alterar o palpite inicial.

αi> αi−1

1 ≤ i ≤ M Mudar o palpite inicial para α.

Mostrar os ângulos α1, α2, ..., αMfinais. Fim Não Sim Sim Não Não Sim

Figura 6. Fluxograma do método de itera¸cões lineares de Newton para obten¸cão dos ângulos de transi¸cão de estado.

A solu¸cão para (2) não é trivial, pois as equa¸cões são não-lineares e transcendentais. Dessa forma, para resolvˆ e-las é necessário um método numérico para encontrar uma solu¸cão. O método utilizado em Parreiras (2015) baseado em Patel and Hoft (1973) é o método de itera¸cões lineares de Newton, conforme mostra o esquema da figura 6, utilizando as derivadas parciais de (2) em (1) para encontrar a solu¸cão.

3. ARMAZENAMENTO DE ENERGIA 3.1 Demanda de Energia e Potˆencia de E-Buses

Abordando o conceito de Regular Ultra-Fast Charging - R-UFC, o trabalho de Justino et al. (2014) tem como análise a aplica¸cão de e-bus na cidade de Belo Horizonte, no Brasil, com ve´ıculos Bus Rapid Transit (BRT) do MOVE, sistema de transporte público da cidade.

Figura 7. Corredor do MOVE Antˆonio Carlos em Belo Horizonte.

Fonte: Prefeitura de Belo Horizonte

O perfil de eleva¸cão da cidade implica em desafios adicio-nais na utiliza¸cão de e-bus e R-UFC. A rota estudada liga a Esta¸cão de Ônibus na região da Pampulha ao centro da cidade, totalizando cerca de 9 km com paradas de 10 a 30 segundos nas esta¸cões intermediárias com média de 500 m entre cada esta¸cão. Os ônibus, por sua vez, possuem 12 a 21 m (quando articulado) pesando cerca de 18 toneladas. Após análise do perfil de energia encontrado, estimou-se um banco de baterias de ´ıons de l´ıtio tradicional de 8,45 toneladas, tornando-o inviável para a opera¸cão diária do e-bus. Uma redu¸cão da quantidade de baterias acarreta-ria em mais recargas durante o dia. Quando utilizado o conceito de R-UFC e o armazenamento de energia modi-ficado para supercapacitores, poderia-se obter um banco de armazenadores de aproximadamente 1 tonelada e 2,7 kWh de capacidade de energia, além de realizar recargas ultrarrápidas ao longo do percurso, tendo como maior tempo de recarga cerca de 30 segundos.

3.2 Supercapacitores

Os supercapacitores, diferente dos capacitores eletrost´ ati-cos e de alguns eletrol´ıtiati-cos, possuem baixas tensões de opera¸cão e sua densidade de energia é de cerca de 1 a 30 Wh/kg, cerca de 10 a 50 vezes menor que as baterias de ´ıon-l´ıtio. Outra desvantagem está relacionada a sua curva de descarga que, diferente da curva de descarga da bateria na qual a tensão permanece praticamente constante du-rante 90% da sua descarga, a curva de tensão do capacitor

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Figura 8. Configura¸c˜ao do carregador ultrarr´apido utilizando o retificador TUPF. cai linearmente com a carga, dificultando o aproveitamento

da energia, como mostrado em Dias-Gonzáles et al. (2016). As grandes vantagens dos supercapacitores estão no seu tempo de carga, na alt´ıssima ciclagem e na sua elevada densidade de potência. Juntamente com uma solu¸cão de 2,5 MW composta por volantes de inércia, uma solu¸cão de 2 MW foi instalada na Long Island Rail Road (LIRR) nos EUA para suprir a demanda de partida dos trens e, além disso, armazenar a energia gerada pelas frenagens regenerativas (Green Car Congress (2014)).

O modelo comumente adotado para os supercapacitores ´

e composto pela resistˆencia s´erie (esr), representada na figura 9 pelo resistor Rs, por um resistor modelando a auto-descarga do capacitor (R1) e um capacitor ideal. O algoritmo t´ıpico para carregamento de supercapacitores ´

e o mesmo para baterias de ´ıons de l´ıtio, no qual é aplicada uma corrente constante até a carga atingir sua tensão nominal. Porém, a corrente pode ser cessada nos supercapacitores, enquanto as baterias permanecem sendo carregadas no modo de potência constante.

Figura 9. Modelagem do supercapacitor.

Para avaliar a utiliza¸cão do Retificador TUPF como car-regador para esta¸cões de carregamento ultrarrápido, teve-se como bateve-se as defini¸cões de energia encontradas para o corredor do MOVE Antônio Carlos calculadas no trabalho de Justino et al. (2014). Nesse trabalho, é realizado o cálculo da energia necessária para cada parada do e-bus, de acordo com as atuais paradas dos ônibus no corredor. O cálculo foi realizado analisando o trajeto de ida e de volta do ônibus entre a Esta¸cão Pampulha e o centro da cidade.

Analisando a energia necessária entre cada parada, encon-trou o valor máximo de 2,66 kWh entre duas paradas con-secutivas. Dessa forma, o banco de capacitores deve ser ca-paz de armazenar tal energia em uma recarga única. Além disso, foi proposta uma taxa de recarga de 77,78 Wh/s, ou seja, esta¸cões de recarga de 280 kW, totalizando um carregamento em 34,7 s para a parada de maior recarga. No trabalho de Justino et al. (2016), é realizada apenas o teste para uma carga resistiva de 350 kW utilizando o TUPF como conversor, mas não há o carregamento do supercapacitor, bem como sua modelagem.

Neste trabalho, foi conectado em paralelo com o barra-mento c.c. de 700 V do TUPF um conversor c.c./c.c. interleaved de três bra¸cos conectado à carga de super-capacitores com indutâncias de 600 µH e frequência de chaveamento de 5 kHz. Tal topologia reduz o ripple da corrente de sa´ıda em três vezes frente a conversores buck bidirecionais tradicionais. A figura 8 mostra um esquema da simula¸cão realizada utilizando o TUPF e o conversor c.c./c.c. interleaved.

4. CONTROLE DO CARREGADOR TUPF No controle do TUPF, a referência de potência ativa é ge-rada pelo controlador de tensão, como pode ser observado na figura 10.

Figura 10. Controle de tens˜ao do barramento c.c. do TUPF.

Utilizou-se a abordagem do controle de corrente a par-tir do eixo dq alinhado com o fasor de tensão da rede (Park (1929)), conforme figura 11. Realizando Qref _{= 0,} tem-se fator de deslocamento unitário. Foram adotadas estratégias de controle realimentado, comando de feed-forward, desacoplamento de eixos e a combina¸cão do

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sis-tema em malha aberta com estimativa dos parâmetros da planta. O controle em malha fechada foi implementado numa frequência de amostragem de 5,76 kHz para im-plementa¸cão posterior em um microcontrolador da Texas Instruments R _{e o SHE-PWM implementado em FPGA}

com frequˆencia de amostragem de 250 kHz.

Figura 11. Controle de corrente do TUPF.

Vdq_(s) Idq_(s) = sL + k dq p + kdq_i s (3) ICharger(s) VDC(s) = sCeq+ kpv+ kiv s (4)

Os ganhos foram calculados para que os polos do sistema, cujas expressões para rigidez dinâmica são (3) e (4), estejam em frequências mais elevadas, espa¸cados de forma adequada para evitar interferência entre os mesmos e manter a técnica SHE-PWM funcionando de maneira coerente.

Para obten¸cão dos parâmetros do banco de capacitores, foi considerado o ultracapacitor SSC LE Series da AVX (2020) como célula. A tabela 2 mostra as caracter´ısticas do banco. Vale ressaltar que, segundo os dados do fabricante, a excursão máxima da tensão no capacitor é de 50% e, portanto, deve ser projetado considerando esse fator limitante.

Tabela 2. Caracter´ısticas da c´elula capacitiva e do banco de capacitores.

Tensão da Célula 2,7 V Capacitância da Célula 500 F Resistência série da célula 1,6 mΩ No_{de supercapacitores em s´}_erie

(uma string) 186

No_{de strings em paralelo} ₃₆

Total de C´elulas 6696

Tens˜ao do banco 500 V

Capacitância do banco 97 F Resistência série do banco 8,3 mΩ

Para o conversor c.c., a mesma abordagem baseando-se na curva de rigidez dinâmica do sistema foi utilizada, cujas equa¸cões são (5) e (6) para tensão (figura 12) e corrente (figura 13) no supercapacitor, respectivamente. A tabela 3 mostra o valor dos parâmetros para os controladores.

ISuperCap(s) VDC(s) = sCBank+ kpv+ kiv s (5) V DCSuperCap(s) IL(s) = sLcc+ kpi+ kii s (6)

Figura 12. Controle da tens˜ao do supercapacitor.

Figura 13. Controle da corrente no bra¸co A do conversor c.c.

Tabela 3. Ganhos dos controladores de corrente e tens˜ao do TUPF Charger.

Malha de Tens˜ao Malha de Corrente

Parˆametro TUPF c.c./c.c. TUPF c.c./c.c.

Ganho proporcional 1 3040 0,3 1.9

Ganho integral 4,4 19100 13 592

5. RESULTADOS

Na figura 14 pode-se observar a tens˜ao de sa´ıda do retifi-cador TUPF em regime permanente.

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Observa-se um ripple calculado em torno de 1,5% (entre 695 e 705 V) da tensão prevista para o barramento c.c. da sa´ıda do retificador TUPF, que é de 700 V. Na figura 15, observa-se o ripple na corrente de carregamento do supercapacitor em torno de 11% (corrente entre 520 e 600 A) e a carga linear de tensão no supercapacitor entre 1 e 42 segundos, totalizando 41 segundos de carga.

Figura 15. Tens˜ao e corrente no supercapacitor durante o carregamento.

Pode-se observar a corrente nas indutâncias do conversor c.c. na figura 16. O valor médio da corrente em cada um dos bra¸cos de 187 A. O ripple encontrado para cada corrente foi de 33% (entre 220 A e 160 A), três vezes maior que o ripple da corrente de sa´ıda para o supercapacitor, que foi de 11%.

Figura 16. Correntes nos indutores do conversor c.c. aco-plado ao supercapacitor

Em seguida, é poss´ıvel ver as correntes no primário do transformador conectado à rede na figura 17 e as tensões da rede. A baixa distor¸cão harmônica visual pode ser confir-mada pelas análises do espectro de frequência das correntes do primário em compara¸cão com os limites harmônicos estabelecidos pela IEEE 519 2014 e com a sua TDD,

referente a corrente demandada pela rede, vista na figura 18 que esbo¸ca o pior caso para os espectros harmônicos. Observa-se um TDD máximo entre as corrente de 0,9%, abaixo do limite da recomenda¸cão da IEEE 519 2014, que é de 5%, bem como n´ıveis individuais dos harmônicos de corrente abaixo dos limites recomendados até o 50o harmônico. A tabela 4 mostra o valor da TDD para as correntes de cada fase da rede elétrica.

Figura 17. Correntes e tensões no primário do transforma-dor de três enrolamentos conectado à rede.

Figura 18. Análise do espectro de frequências da corrente na fase A do primário comparada com os n´ıveis de IEEE 519 2014.

Tabela 4. TDDs para as correntes das trˆes fases da rede el´etrica.

Fase TDD (%)

A 0,90

B 0,65

C 0,89

6. CONCLUS ˜AO

Este artigo validou uma arquitetura promissora para as esta¸c˜oes de carregamento ultrarr´apido com o retificador

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TUPF. Foi verificado um baixo n´ıvel de TDD, com m´ a-ximo de 0,9% entre as correntes, atendendo às normas e recomenda¸cões internacionais, como IEEE 519 2014 que recomenda um n´ıvel de TDD máximo de 5%. Por seguir a recomenda¸cão da IEEE 519-2014, a NEMA-PE-5 (1997) que define o padrão dos produtos elétricos produzidos por seus associados, também é atendida com essa abordagem de carregamento ultrarrápido, tornando a solu¸cão atra-tiva nos EUA e para fabricantes em todo o mundo que seguem os padrões NEMA. Em pa´ıses da União Europeia, que utilizam as normas da IEC em suas legisla¸cões, a solu¸cão apresentada neste trabalho pode ser utilizada em vários empreendimentos, já que também atende às regras definidas. O carregamento do supercapacitor foi realizado com controle de corrente constante de 560 A até a sua tensão nominal de 500 V, sem sobretensão ao final do carregamento, o que garante uma manuten¸cão da vida útil do banco de supercapacitores.

Portanto, a solu¸cão com banco de supercapacitores para recargas ultrarrápidas combinado ao retificador TUPF se mostrou viável permitindo um avan¸co no conceito de recargas ultrarrápidas com baix´ıssima distor¸cão harmônica nas correntes da rede elétrica, o que torna a solu¸cão mais atrativa para ser aplicada em larga escala.

A próxima etapa para esse trabalho é verificar a possi-bilidade de carregamento retirando o conversor c.c., ape-nas com o retificador TUPF, reduzindo a quantidade de componentes e, logicamente, o custo da solu¸cão, além de validar experimentalmente tanto a nova perspectiva como a apresentada neste trabalho.

AGRADECIMENTOS

Este trabalho foi suportado pelo grupo Neoenergia atra-v´es do programa de P&D ANEEL ”Chamada ANEEL: 021/2016”no projeto de pesquisa PD-00043-0516/2016.

REFER ˆENCIAS

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